JP5173010B2 - プリントヘッドモジュール - Google Patents

Description

本発明は、プリントヘッド、フレキシブル回路、積層体サブアセンブリ及び複数の積層体の位置決め方法に関する。

液滴射出装置は、基体上に液滴を付着させるために用いられる。インクジェットプリンタは、液滴射出装置の一種である。インクジェットプリンタは、一般的に、ノズル経路へのインク供給部を有する。ノズル経路はノズル開口部で終端し、そこからインク液滴が射出される。インク液滴の射出は、例えば、圧電偏向器、サーマルバブルジェット（登録商標）発生器又は静電気的に偏向される素子であり得るアクチュエータで、インク経路内のインクを加圧することによって制御される。一般的なプリントヘッドは、アレイ状に配列されたインク経路、それらに対応するノズル開口部、及びそれらに関連付けられたアクチュエータを有し、各ノズル開口部からの液滴の射出を独立して制御可能である。ドロップ・オン・デマンド型のプリントヘッドでは、各アクチュエータは、プリントヘッドとプリント基体とが互いに相対移動する際に、液滴を画像の特定の画素位置に選択的に射出するよう発射される。高性能プリントヘッドでは、ノズル開口部は５０マイクロメートル以下（例えば、約３５マイクロメートル）の直径を有し、１００〜３００ノズル／インチのピッチで離間され、１００〜３０００ｄｐｉ以上の解像度を有し、約１〜７０ピコリットル以下の液滴サイズを提供する。液滴射出周波数は１０ｋＨｚ以上であり得る。

プリント精度は、ヘッド内の複数のノズルによって射出される液滴のサイズ及び速度の均一性、並びにプリンタ内の複数のヘッド間のそれら均一性を含む多くの要因によって影響される。液滴サイズ及び液滴速度の均一性は、インク経路の寸法的均一性、音響干渉効果、インク流路内の汚れ、及びアクチュエータの作動均一性等といった要因によって影響される。

本発明は、プリントヘッド、フレキシブル回路、積層体サブアセンブリ及び複数の積層体の位置決め方法の提供を課題とする。

一般的に、１つの態様において、プリントヘッドは、本体と、本体に取り付けられたアクチュエータであって該アクチュエータと本体との間の囲まれた空間がチャンバを形成するアクチュエータと、チャンバ内の圧力を解放するための、本体によって画成された開口部と、圧力の解放を可能にしつつチャンバをシールするための、開口部に取り付けられたシールとを備える。

実施態様は、以下の特徴の１つ以上を有し得る。アクチュエータは圧電材料を含んでもよく、シールはプラスチック（例えば、ポリイミド）でできていてもよい。プリントヘッドは積層体サブアセンブリを含んでもよく、アクチュエータは積層体サブアセンブリに取り付けられてもよく、積層体サブアセンブリは、フレキシブルプリント基板、キャビティプレート、ディセンダープレート、音響吸収材、スペーサ及びオリフィスプレートを含んでもよい。音響吸収材には複数の開口部が形成されてもよく、ディセンダープレートには複数のチャネルが形成されてもよい。プリントヘッドは、本体によって画成されたインクマニホールドを含んでもよい。シールは、着脱可能な接着剤を用いて開口部に取り付けられてもよい。

別の態様において、フレキシブル回路は、可撓性材料でできている本体と、本体上に形成された電気配線と、本体によって画成された、流体が通過するための複数の開口部とを備える。

実施態様は、以下の特徴の１つ以上を有し得る。本体はポリイミドでできていてもよく、（例えば、ポリイミドを含み得る接着剤を用いて）互いに結合された可撓性材料（例えば、ポリイミド）の２つの層を含んでもよい。本体は、電気配線が形成されたベース層（例えば、ポリイミド材料）と、電気配線を覆うカバーレイ（例えば、プリント可能なポリイミド）とを含んでもよい。

更に別の態様において、積層体サブアセンブリは、アクチュエータ、キャビティプレート、ディセンダープレート及びオリフィスプレートを含む複数の積層体を備え、各積層体は複数の開口部を有し、各積層体の開口部が他の積層体の開口部と位置決めされ、開口部の検査により、複数の積層体の位置決め及び配置が確実にされる。

実施態様は、以下の特徴の１つ以上を有し得る。積層体サブアセンブリは、アクチュエータ上に基準マークを更に備えてもよく、複数の積層体が位置決めされた際に、該基準マークが見えるようになっている。複数の積層体は、音響吸収材、フレキシブル回路及びスペーサを更に含んでもよい。

１つの態様において、複数の積層体を位置決めする方法は、アクチュエータ、キャビティプレート、ディセンダープレート及びオリフィスプレートを含み複数の開口部を有する複数の積層体であって、該積層体の１つが基準マークを含む複数の積層体を設ける工程と、複数の積層体の複数の開口部及び複数の積層体の１つの基準マークを用いて複数の積層体を位置決めする工程と、複数の積層体を一体に取り付ける工程と、開口部を検査して複数の積層体の位置決めを判定する工程とを備える。検査する工程は、カメラを用いて積層体の複数の開口部の中を見て基準マークが複数の開口部と位置決めされていることを確認することを含んでもよい。

更なる態様、特徴及び長所は、以下の詳細な説明、図面及び特許請求の範囲から明らかになる。

プリントヘッドの斜視図 プリントヘッドの分解図 プリントヘッドの本体及び積層体サブアセンブリの斜視図 プリントヘッドの断面図 本体の底部側の斜視図 積層体サブアセンブリの分解図 フレキシブルプリント基板の斜視図 フレキシブルプリント基板の断面図

図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、プリントヘッド１０は、積層体サブアセンブリ１４に結合された本体１２を含む。部品は、エポキシ等といった接着剤を用いて互いに結合され得る。プリントヘッド１０に導入されるインクは、まず、フィルタ１６及び管１８を通り、本体１２に形成されたインク返し２０を介して本体１２に入る。本体１２には、本体１２とサブアセンブリ１４との間の空気圧を解放するための開口部２２が形成されており、開口部２２上にはシール２４が配置されている。本体１２の上部にはカバー２６が取り付けられている。

図２Ａ及び図２Ｂは、プリントヘッド１０の本体１２及びサブアセンブリ１４を示す。サブアセンブリ１４の第１の層は圧電素子２８であり、圧電素子２８はフレキシブルプリント基板３０に結合されている。本体１２がサブアセンブリ１４に結合されると、圧電素子２８を環境から保護すると共にインク流路からシールするためのチャンバ３２が形成される。

図３を参照すると、サブアセンブリ１４は、圧電素子２８、フレキシブルプリント基板３０、キャビティプレート３４、ディセンダープレート３６、音響吸収材３８、スペーサ４０及びオリフィスプレート４２といった部品を含み、これらは一体に結合されている。これらの部品は、エポキシ等といった接着剤を用いて一体に結合され得る。

図２Ａを参照すると、インクはインク返し２０を下に移動して本体１２の底部側に至り、図２Ｃに示されるように、本体１２に形成された流体マニホールド４４に入る。インクは流体マニホールド４４を満たし、フレキシブルプリント基板３０の複数の開口部４６を通って移動し、図３に示されるように、キャビティプレート３４に形成された複数のポンプチャンバ４８に入る。

図３を参照すると、圧電素子２８が作動されると、ポンプチャンバ内のインクポンプチャンバの複数の開口部５０を通って送り出され、ディセンダープレート３６の複数の開口部５２を通り、音響吸収材の複数の開口部（図示せず）３８を通り、複数のスペーサ開口部５４を通り、オリフィスプレート４２のオリフィス５６から出る。

図２Ｂは、本体１２がサブアセンブリ１４に結合された際に形成されるチャンバ３２の断面図を示しており、サブアセンブリ１４は、第１の層として圧電素子２８を有する。チャンバ３２は、圧電素子２８を外部環境から保護する。本体１２には、チャンバ３２内の空気圧を解放するための開口部２２が形成され、開口部２２には、接着剤（即ち、エポキシ）を用いてシール２４が結合される。シール２４は、圧力下で形状が変わる柔軟な材料（即ち、ポリイミド）で作られ得る。

チャンバ３２内の空気圧が上昇すると、シール２４が接触している部分である開口部２２の周囲に力が加わる。シール２４に加わる力の量は、開口部２２の半径の関数である。シール２４を開口部２２に結合させている接着剤は、或る圧力で開口部２２の表面から分離されて空気圧を解放し、その後、再び接着する。接着剤が特定の空気圧で分離して再び接着するよう、特定の空気圧に合わせて開口部２２の半径及び接着剤の強さを設計できる。

図２Ａには、本体１２の開口部２２の位置が本体１２の表面より高くなっていることが示されている。開口部２２の位置を高くすることにより、圧電素子２８がインク漏れから保護されると共に、シール２４によって、圧電素子２８がインクや他の環境的要因から更に保護される。

図３を参照すると、フレキシブルプリント基板３０の複数の開口部は、マニホールド４４からポンプチャンバに至るインク流路を提供する。図４Ａは、開口部４６を通る流体との接触を回避するために開口部間のスペースに設けられた電気配線５８を有するフレキシブルプリント基板３０を示す。電気配線５８は、フレキシブルプリント基板３０の中心付近の（圧電素子に隣接した）電極から、フレキシブルプリント基板３０の端部のコネクタ６０へと延びている。コネクタ６０の両側からはタブ６２が延出しており、図１Ａに示されるように、タブ６２はカバー２６にスナップ式に嵌る。

図４Ｂは、接着剤を用いて互いに結合された第１の層６４及び第２の層６６を有するフレキシブルプリント基板３０を示す。時間が経つと、インクの影響により接着剤が２つの層から分離し、フレキシブルプリント基板３０の内部でインクが漏れて、電気配線５８に接触することがある。或る実施態様では、フレキシブルプリント基板３０の２つの層はポリイミドでできており、接着剤もポリイミドを含有する。フレキシブルプリント基板３０の層及び接着剤が同じ材料でできている場合には、インクが接着剤を２つの層から分離させる可能性は低くなる。フレキシブルプリント基板３０の開口部は、ダイ、レーザ、又は他の類似の方法で切り抜くことができる。フレキシブルプリント基板３０の開口部の縁部を、その中を流れる流体による劣化から保護するために、コーティング又は他の材料を用いることも可能である。

図３を参照すると、フレキシブルプリント基板３０の複数の開口部は、キャビティプレート３４のポンプチャンバと実際に位置が合っている一部の開口部にのみ、ポンプチャンバに至るインク流路を提供する。残りのポンプチャンバは、開口部間のスペースによってブロックされる。流れる先のポンプチャンバがブロックされているインクは、フレキシブルプリント基板３０の開口部を通って、ブロックされていないポンプチャンバを通り、ディセンダープレート３６の複数のチャネル６８に至る。これらのチャネル６８内のインクは、その上のキャビティプレート３４に戻り、ブロックされているポンプチャンバに入る。

図３を参照すると、音響吸収材３８が、Ｕｐｉｌｅｘ（登録商標）ポリイミド等といったプラスチック材料でできている場合には、材料は均一に結合しないことがあり、未結合の材料領域が残り得る。より良好な結合のために、音響吸収材３８に開口部７０を切り抜くことができる。

本体１２は、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）等といったプラスチック材料、又はアルミニウム等といった金属で作ることができる。カバー２６は、金属又はＤｅｌｒｉｎ（登録商標）アセタール等といったプラスチック材料で作ることができる。フレキシブルプリント基板３０及び音響吸収材３８は、「Ｕｐｉｌｅｘ」ポリイミドで作ることができ、ディセンダープレート３６及びキャビティプレート３４は、Ｋｏｖａｒ（登録商標）合金等といった金属で作ることができる。スペーサ４０は、カーボン（約７ＭＰａ）やポリイミド（約３ＭＰａ）等といった低弾性率材料で作ることができる。オリフィスプレート４２はステンレス鋼で作ることができる。

積層体サブアセンブリ１４内のオリフィスプレート４２及び音響吸収材３８を結合する際に、スペーサ４０を用いることができる。オリフィスプレート４２又は音響吸収材３８に接着剤を直接塗布するのではなく、接着剤をスペーサの両面に直接塗布し、オリフィスプレート４２及び音響吸収材３８をスペーサに結合することができる。スペーサは、異なる熱膨張係数を有する積層体間でひずみを分配することもできる。例えば、異なる熱膨張係数を有する積層体が、約１５０℃の結合温度で互いに結合されると、積層体が室温（約２２℃）まで冷却された際に、積層体は湾曲し得る。スペーサで結合のひずみを分配することにより、積層体サブアセンブリの湾曲を低減できる。スペーサの厚さ及び弾性率は、スペーサがサブアセンブリ内でひずみを分配する能力に影響し得る。スペーサのひずみの割合は、スペーサの厚さで割ったひずみの関数である。

図２Ｃは、プリントヘッド１０をラックアセンブリに固定する３つの偏心ねじを受容するための３つの穴７２（本体１２の一方の側に２つ、他方の側に１つ）を有する本体１２を示す。

図３を参照すると、各部品の端部にある開口部７４を用いて、足りない部品及び部品の位置決めを確認できる。検査カメラで開口部７４の中をのぞき、部品の位置決めを視覚的に検査する。圧電素子２８上には基準マークが配置され、これは、全ての部品が適切に位置決めされた際に見えるようになっている。更に、プリントヘッド１０の製造後又はメンテナンス時に、開口部７４を通して目視検査を行うことで、全ての部品が存在し、部品が正しい順序になっていることを確実にできる。

他の実施態様では、本体及び積層体サブアセンブリを、接着剤、ねじ及び締め具等といった他の固定装置に取り付けることができる。サブアセンブリの部品は、他の材料や接着剤によって固定することも可能である。シール２４は、他の接着剤によって本体の開口部に取り付けられることも可能である。図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、サブアセンブリと本体との間に圧電素子を保護するためのチャンバを形成する代わりに、コーティングによって圧電素子を保護することも可能である。図１Ａには、プリントヘッド１０のカバー２６にスナップ式に嵌ったタブ６２が示されているが、タブは、ねじ、留め具、接着剤又は他の固定具によってプリントヘッドに固定されてもよい。図３のフレキシブルプリント基板３０では、フレキシブルプリント基板３０の両側に複数の開口部が示されているが、フレキシブルプリント基板３０は、一方の側のみに、インク経路用の１つ又は複数の開口部を有してもよい。同様に、図３のキャビティプレートでは、キャビティプレートの両側に複数のポンプチャンバが示されているが、キャビティプレートは、一方の側のみに１つ又は複数のポンプチャンバを有してもよい。

図１Ａのコネクタ６０は、タブ６２を用いずに、カバー２６に直接固定されてもよい。例えば、コネクタ６０は、接着剤を用いてカバー２６に接着されてもよい。

図４Ａを参照すると、フレキシブルプリント基板３０上の電気配線５８は、開口部４６を通って流れる流体が配線に接触するのを防止するためにシールされてもよい。例えば、図４Ｂの第１の層６４はポリイミド材料（即ち、「Ｕｐｉｌｅｘ」ポリイミド）であってもよく、電気配線は第１の層６４上に形成されてもよく、第２の層６６は、電気配線を覆うカバーレイであってもよい。カバーレイは、日本国の新日鐵化学株式会社（Nippon Steel Chemical）から入手可能なＥｓｐａｎｅｘ（登録商標）ＳＰＩスクリーンプリント可能ポリイミドカバーレイ等といった、プリント可能なポリイミドであってもよい。ポリイミドは、シルクスクリーンプリント法又は他の付着方法を用いて付着され得る。

図１Ａを参照すると、プリントヘッド１０の寸法は、約２９．１５ｍｍの高さ、約１１５．９ｍｍの長さ、及び約３０．６ｍｍの幅を有し得る。

図３を参照すると、積層体サブアセンブリ１４は、タブ４３を有し得る接地プレート４１も含み得る。複数の積層体が一体に積み重ねられた場合には、図２Ａに示されるように、サブアセンブリ１４からタブ４３が延出し、ハウジング１２の上に折り返され得る。図１の接地線１３は、接地プレート４１のタブ４３に接続している。

再び図３を参照すると、積層体サブアセンブリ１４を通って流れる流体は、接地プレート４１の開口部５５を通ってオリフィスプレート４２のオリフィス５６から出てもよい。接地プレート４１は、サブアセンブリ１４の他の積層体の開口部７４と位置決めされる開口部７４も有し得る。

他の実施態様も添付の特許請求の範囲に含まれる。

１０ プリントヘッド
１２ 本体
１４ 積層体サブアセンブリ
２２ 開口部
２４ シール
２８ 圧電素子
３０ フレキシブルプリント基板
３２ チャンバ
３４ キャビティプレート
３６ ディセンダープレート
３８ 音響吸収材
４０ スペーサ
４１ 接地プレート
４２ オリフィスプレート
４４ 流体マニホールド
５８ 電気配線
７４ 開口部

Claims (11)

1. 流体マニホールドを含む本体と、
   アクチュエータ、フレキシブルプリント基板、及びキャビティプレートを含む積層体サブアセンブリであって、当該積層体サブアセンブリが、前記本体に取り付けられるものであって、前記フレキシブルプリント基板が、前記アクチュエータと前記キャビティプレートの間にあり、前記キャビティプレートが、複数のポンプチャンバを有するものと、
   インクが前記本体に形成された前記流体マニホールドに入り前記フレキシブルプリント基板の複数の開口部を通り、前記複数のポンプチャンバに入るインク流路と、
   前記アクチュエータと前記本体の間の囲まれた空間であって、当該空間が、前記アクチュエータを前記インク流路からシールするためのチェンバを形成しているものと、
   前記チェンバの圧力を開放するために前記本体に設けられた開口部と
   を備えるプリントヘッドであって、
   前記フレキシブルプリント基板が、ポリイミドでできていることを特徴とするプリントヘッド。
2. 前記本体の開口部に取り付けられたシールであって、圧力の開放を可能にしつつ前記チェンバをシールするものを更に含むことを特徴とする請求項１記載のプリントヘッド。
3. 前記シールが柔軟な材料よりなることを特徴とする請求項２記載のプリントヘッド。
4. 前記シールが前記開口部に、前記開口部から分離して空気圧を開放し、その後再び接着することができる接着剤を用いて接着されていることを特徴とする請求項２記載のプリントヘッド。
5. 前記アクチュエータが、圧電材料を含むことを特徴とする請求項１記載のプリントヘッド。
6. 前記積層体サブアセンブリが、ディセンダープレート、音響吸収材、スペーサ及びオリフィスプレートを更に含むことを特徴とする請求項１記載のプリントヘッド。
7. 前記インク流路が、さらに前記複数のポンプチェンバを前記ディセンダ―プレート、前記音響吸収材、前記スペーサ及び前記オリフィスプレートの開口部に接続することを特徴とする請求項６記載のプリントヘッド。
8. 前記フレキシブルプリント基板が、接着剤で接着された２つの層からなり、前記２つの層及び前記接着剤は、同じ材料でできていることを特徴とする請求項１記載のプリントヘッド。
9. 前記材料が、ポリイミドであることを特徴とする請求項８記載のプリントヘッド。
10. 前記フレキシブルプリント基板が、前記インク流路の一部である前記フレキシブルプリント基板の前記複数の開口部の間のスペースに設けられている電気配線を含むことを特徴とする請求項１記載のプリントヘッド。
11. 前記積層体サブアセンブリが、接地プレートを含むことを特徴とする請求項１記載のプリントヘッド。

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